压密不排水三轴压缩试验试样的制备与饱和

1．试样制备

试样应切成圆柱性形状，试样直径为Φ39.1mm、Φ61.8mm、Φ101mm、相应的试样高度分别为80mm、150mm、200mm，试样高度与直径的关系一般为2～2.5倍，试样的允许最大粒径与试样直径之间的关系见下表。

对于较软的土样，用钢丝锯或切土刀在切土盘上制样；对于较硬的土，用切土刀和切土器在在切土架上制样。称取切削好试样的质量，准确至0.1g，试样的高度和直径用卡尺量测，并按下式计算平均直径

式中D₁D₂D₃分别为试样上、中、下部位的直径。与此同时，取切下的余土，平行测得含水量，取其平均值为试样的含水量。

2．试样饱和

（1）真空抽气饱和：将试样装入饱和器，置于真空缸内，进行抽气，当真空压力达到1个大气压时，开启管夹，使清水注入真空缸内，待水面超过饱和器后，即可停止抽气，然后静止大约10h左右，使试样充分吸水饱和。

（2）水头饱和：将试样装入压力室内，施加20kPa的周围压力，使无气泡的水从试样底座进入，待上部溢出，水头高差一般在1m左右，直至流入水量和溢出水量相等为止。

（3）反压力饱和：试样饱和度要求较高时采用。

1．三轴仪

三轴仪根据施加轴向荷载方式的不同，可以分为应变控制式和应力控制式两种，目前室内三轴试验基本上采用的是应变控制式三轴仪。

应变控制式三轴仪由以下几部分组成（如图4）：

（1）三轴压力室。压力室是三轴仪的主要组成部分，它是由一个金属上盖、底座以及透明有机玻璃筒组成的密闭容器，压力室底座通常有3个小孔分别与围压系统、体积变形以及孔隙水压力量测系统相连。

（2）轴向加荷系统。采用电动机带动多级变速的齿轮箱，或者采用可控硅无级变速，并通过传动系统使压力室自下而上的移动，从而使试样承受轴向压力，其加荷速率可根据土样性质和试验方法确定。

（3）轴向压力测量系统。施加于试样上的轴向压力由测力计量测，测力计由线性和重复性较好的金属弹性体组成，测力计的受压变形由百分表或位移传感器测读。

（4）周围压力稳压系统。采用调压阀控制，调压阀控制到某一固定压力后，它将压力室的压力进行自动补偿而达到稳定的周围压力。

（5）孔隙水压力量测系统。孔隙水压力由孔压传感器测得。

（6）轴向变形量测系统。轴向变形长距离百分表（0~30mm百分表）或位移传感器测得。

（7）反压力体变系统。由体变管和反压力稳压控制系统组成，以模拟土体的实际应力状态或提高试件的饱和度以及量测试件的体积变化。

2．附属设备

（1）击实筒和饱和器

（2）切土盘、切土器、切土架和原状土分样器

（3）承膜筒和砂样制备模筒

（4）天平、卡尺、乳胶膜等

根据土样固结排水条件和剪切时的排水条件，压密不排水三轴压缩试验可分为不固结不排水剪实验（UU）、固结不排水剪实验（CU）等。

1．不固结不排水剪实验（UU）

试样在施加周围应力和随后施加偏应力直至破坏的整个试验过程中都不允许排水，这样从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不可能消散，可以测得总应力抗剪强度指标c_u，φ_u。

2．固结不排水剪实验（CU）

试样在施加周围压力时，允许试样充分排水，待固结稳定后，再在不排水的条件下施加轴向压力，直至试样剪切破坏，同时在受剪过程中，测得土体的孔隙水压力，可以测得总应力抗剪强度强度指标c_cu，φ_cu和有效应力抗剪强度指标c'，φ’。

1910年摩尔（Mohr）提出材料的破坏是剪切破坏，并指出在破坏面上的剪应力τ是为该面上法向应力σ的函数，即

这个函数在

当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。

根据材料力学，设某一土体单元上作用着的大、小主应力分别为σ₁和σ₃，则在土体内与大主应力σ₁作用面成任意角α的平面上的正应力σ和剪应力τ，可用τ—σ坐标系中直径为（σ₁-σ₃）的摩尔应力圆上的一点（逆时针旋转2α,如图2中之A点）的坐标大小来表示，即

将抗剪强度包线与摩尔应力画在同一张坐标纸上，如图3所示。它们之间的关系可以有三种情况：①整个摩尔应力圆位于抗剪强度包线的下方（圆Ⅰ），说明通过该点的任意平面上的剪应力都小于土的抗剪强度，因此不会发生剪切破坏；②摩尔压力圆与抗剪强度包线相割（圆Ⅲ），表明该点某些平面上的剪应力已超过了土的抗剪强度，事实上该应力圆所代表的应力状态是不存在的；③摩尔应力圆与抗剪强度包线相切（圆Ⅱ），切点为A点，说明在A点所代表的平面上，剪应力正好等于土的抗剪强度，即该点处于极限平衡状态，圆Ⅱ称为极限应力圆。

三轴压缩实验（亦称三轴剪切实验）是以摩尔－库仑强度理论为依据而设计的三轴向加压的剪力试验，试样在某一固定周围压力下，逐渐增大轴向压力，直至试样破坏，据此可作出一个极限应力圆。用同一种土样的3～4个试件分别在不同的周围压力下进行实验，可得一组极限应力圆。作出这些极限应力圆的公切线，即为该土样的抗剪强度包络线，由此便可求得土样的抗剪强度指标。

三轴压缩实验是测定土体抗剪强度的一种比较完善的室内实验方法，可以严格控制排水条件，可以测量土体内的孔隙水压力，另外，试样中的应力状态也比较明确，试样破坏时的破裂面是在最薄弱处，而不像直剪试验那样限定在上下盒之间，同时三轴压缩试验还可以模拟建筑物和建筑物地基的特点以及根据设计施工的不同要求确定试验方法，因此对于特殊建筑物（构筑物）、高层建筑、重型厂房、深层地基、海洋工程、道路桥梁和交通航务等工程有特别重要的意义。

一、不固结不排水剪切。

1．对仪器各部分进行全面检查，周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力系统、轴向压力系统是否能正常工作，排水管路是否畅通，管路阀门连接处有无漏水漏气现象。乳胶膜是否有漏水漏气现象。

2．拆开压力室的有机玻璃罩子，将试样方在试样底座的不透水圆板上，在试样的顶部放置不透水试样帽。

3．将乳胶膜套在承膜筒上，两端翻过来，用吸咀吸气，使乳胶膜贴紧承膜筒内壁，然后套在试样外放气，翻起乳胶膜，取出承膜筒，用橡皮圈将乳胶膜分别扎紧在试样底座和试样帽上，

4．装上受压室外罩，安装时应先将活塞提高，以防碰撞试样，然后将活塞对准试样帽中心，并旋紧压力室密封螺帽，再将测力环对准活塞。

5．向压力室充水，当压力室快注满水时，降低进水速度，当水从排水孔溢出时，关闭排水孔。

6．开空压机和周围压力阀，施加所需的周围压力，周围压力的大小应根据土样埋深和应力历史来决定，也可按100、200300kPa施加。

7．旋转手轮，当测力环的量表微动，表示活塞与试样接触，然后将测力环的量表和和轴向位移量表的指针调整到零位。

8．启动电动机开始剪切，剪切速率宜为每分钟应变0.5%～1.0%。80mm高的试样速率为0.4～0.8mm/min。开始阶段，试样每产生垂直应变0.3～0.4%时记测力环量表读数和垂直位移量表读数各一次。当接近峰值时应加密读数，如果试样特别松软和硬脆，可酌情减少或加密读数。

9．当出现峰值后，再进行3%～5%的垂直应变或剪至总垂直应变的15%后停止试验，若测力环读数无明显减少则垂直应变应进行到20%。

10．试验结束后，关闭电动机，关周围应力阀，拔开离合器，倒转手轮，然后打开排气孔，排去压力室内的水，拆去压力室外罩，取出试验，描述试样破坏的形状，并测得试验后的密度和含水量 。

11．重复以上步骤分别在不同的围压下进行第二、三、四个试样的试验。

二、固结不排水剪切：

1、打开反压排水阀（向右，确保加压帽畅通）→固定土样→上升压力室直到与测力环接触；

2、注水：打开压力室上面的排气塞、压力室阀（注水）、压力室注水阀→开动水泵开始注水→待排气塞有水溢出时关闭水泵、排气塞、压力室阀（注水）、压力室注水阀 ；

3、固结：调整反压力管的水位和土样中心线相齐平，读取反压力管的初始水位→打开反压排水阀，开始固结→当孔压值消散到围压的5%左右时(孔压值在固结过程中读取)，固结结束→记录反压力管的刻度，关闭反压排水阀 ；

4、剪切：根据规程设定围压数值→打开围压注水阀→逆时针旋转手轮到底→关闭围压注水阀→打开围压阀→顺时针旋转手轮至围压设定值→拧紧手轮上的螺帽→点击控制器上的稳压→调整两个百分表归零→根据规程设置速率→点击控制器上的上升、开始剪切→记录位移计每走2mm对应测力计的读数→点击控制器上的停止速率、停止稳压 ；

5、卸压排水：打开压力室阀（排水）→轻轻打开压力室排水阀→关闭围压阀→打开压力室上的排气塞→开动水泵开始排水→下降主机压力室→取出土样。

1．为使实验资料可靠和适用，应进行正确的数据分析和整理。整理时对实验资料中明显不和理的数据，应通过研究，分析原因（试样是否具有代表性、试验过程中是否出现异常情况等）或在有条件时，进行一定的补充试验后，可决定对可疑数据取舍或改正。

2．舍弃实验数据时，应根据误差分析或概率的概念，按三倍标准差（即±3s）作为舍弃标准，即在资料分析中应该舍弃那些在±3s以外的测定值，然后重新计算整理。

3．土工实验测得的土性指标，可按其在工程设计中的实际作用分为一般特性指标和计算指标。前者如土的天然密度、天然含水量、土粒比重、颗粒组成、液限、塑限、有机质、水溶盐等，系指作为对土分类定名和阐明其物理化学特性的土性指标；后者如土的粘聚力、内摩擦角、压缩系数、变形模量、渗透系数等，系指在设计计算中直接用于确定土体的强度、变形和稳定性等力学性的土性指标。

4．对一般性指标的成果整理，通常可采用多次测定值的算数平均值，并计算出相应的标准差和变异系数，以反映实际测定值对算数平均值的变化程度，从而判别其采用算数平均值的可靠性。

5．对主要计算指标的成果整理，如果测定的组数较多，此时指标的最佳值接近于诸测值的算数平均值，仍可按一般特性指标的方法强度其设计计算值，即采用算数平均值。但通常由于试验的数据较少，考虑到测定误差、土体本身的不均匀性和施工质量的影响等，为安全考虑，对初步设计和次要建筑物宜采用标准差平均值，即对算数平均值加（或减）一个标准差的绝对值。

6．对不同应力条件下测得的某种指标（如抗剪强度）应经过综合整理求取。在有些情况下，尚需求出不同土体单元综合使用时的计算指标。这种综合性的土性指标，一般采用图解法或最小二乘方分析法确定。

（1）图解法：将不同应力条件下测得的指标值（如抗剪强度）然后以不同的应力为横坐标，指标平均值为纵坐标作图，并求得关系曲线，确定其参数（如土的粘聚力和角摩擦系数）

（2）最小二乘方分析法：根据各测定值同关系曲线的偏差的平方和为最小的原理求取参数值。

（3）当设计计算几个土体单元土性参数的综合值时，可按土体单元在设计计算中的实际影响，采用加权平均值.

7．实验报告的编写应符合下列要求：

（1）编写试验报告所依据的试验数据，应进行整理、检查、分析、经确定无误后方可采用。

（2）实验报告所需提供的依据，一般应包括根据不同建筑物的设计和施工的具体要求所拟试验的全部土性参数。

（3）实验报告的内容应包括：试验方法的简要说明（工程概况，所需解决的问题以及由此对试样的采制，试验项目和试验条件提出的要求），实验数据和基本结论。

（4）实验报告中一律采用国家颁布的法定计量单位。 2100433B

超压密形容土壤的密集程度。超压密土形成的两大条件是一是海水中原级颗粒靠凝结作用形成的团粒，以及在干化时粘性土壤的收缩的收缩。在比较干燥的地区，靠近地表面的重亚黏土和黏土在大多数情况下是处在超压密状态下的。

固结不排水剪试验是指试样在施加周围压力时，允许试样充分排水，待固结稳定后，再在不排水的条件下施加轴向压力，直至试样剪切破坏，同时在受剪过程中测定土体的孔隙水压力，可以测得土的总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标的一项试验。